JPH10184312A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スペースホイールへのシール空気流量の削減策
として、動翼シールフィンの複数化やフィンの対向面に
ハニカムを装着してシール性能を向上させる等の策が施
されているが、動翼形状の複雑化に伴うコストの高騰、
更に運転時における接触による損傷が生じる。 【解決手段】圧縮機で抽気した空気を静翼内部の冷却通
路７に導き、冷却通路７と連通する噴出口９を静翼セグ
メントの内径側エンドウォール４ｂの周方向上に設け、
動翼に向かって冷却空気を噴出するようにし、噴出口９
を周方向にスリット状に開口させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの高効率化に対しては、要
素性能の向上とともに作動ガスの高温化が有効である。
作動ガスの高温化は、耐熱材料の開発と高温要素部材、
特にタービン静・動翼の冷却技術の上に成立するが、材
料開発には長期の期間を要することからタービン翼の冷
却強化が重要なポイントを占めている。さらに、高温化
は、主流ガスのロータ側への洩れ込み現象によるディス
クホイールの温度上昇をもたらし、シールに用いるため
の冷却空気量の増加が必要となる。このように、現在、
進められている１５００℃級レベルのガスタービンで
は、冷却空気の消費量が増大し過ぎて、高温化に依るサ
イクル上のメリットを損ない、逆にプラント効率を低下
させてしまうところに達してきている。従って、ガスタ
ービンの高温化に際しては、冷却空気の消費量を低減す
ることが必須条件となる。

【０００３】たとえば、タービン部での主流ガスのロー
タ側への洩れ込み現象に関しては、完全に防止するとい
う設計から、ディスクホイールの寿命を考慮した許容温
度の概念を導入して、ある程度の洩れ込みは許す設計に
してシール空気の消費量を削減させるのが得策である。
このような観点から、主流ガスの洩れ込み量を最少化す
るため、動翼のシャンク部に設けたシールフィンを使っ
たシール装置が手段として施されている。この種の装置
として関連するものに、例えば特開昭58−74801 号公報
が挙げられ、シールフィンの材料にバイメタルを用いる
ことにより、冷却空気の消費量を常に一定に保つような
改善がためされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】タービン段でのディス
クホイールのシール空気流量の削減策は、前述したシー
ル装置が一般的に用いられているが、高温化に対処する
ためには、更なるシール性能の強化が必要とされ、動翼
シールフィンの複数化やシールフィンの対向面にハニカ
ムを装着して、シール性能を向上させる等の改善策が施
されている。しかし、これらの手法は、シールフィンの
設置数がシャンク長の関係で少数に限定されてしまうと
同時に、多数の設置が可能としても動翼形状の複雑化に
伴う製作・材料コストの高騰，組立性の問題、更に運転
時における接触損傷という信頼性の低下に繋がることに
なる。

【０００５】本発明の目的は、簡易にディスクホイール
へのシール空気流量を削減し、発電効率の高いガスター
ビンを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のガスタービンでは、圧縮機で抽気した空気
を静翼内部の冷却通路に導き、この冷却通路と連通する
噴出口を静翼セグメントの内径側エンドウォールの周方
向上に設け、動翼に向かって冷却空気を噴出するように
構成させたものであり、また噴出口を周方向にスリット
状に開口させた。

【０００７】また、動翼体のシャンク部に内径側エンド
ウォール面と協働するシールフィンを備えて、このシー
ルフィン先端に対して主流側近傍位置に噴出口を設け
た。

【０００８】更に、静翼のダイアフラムはホイールスペ
ースへのシール空気を供給する空気供給孔を具備してい
る。

【０００９】上記のように構成されたガスタービンで、
ガスタービンを運転すると圧縮機から抽気された冷却空
気は、静翼を冷却するために静翼の内部冷却通路に導か
れ、静翼を冷却した後、連通した内径側エンドウォール
に設けられた噴出口から動翼に向かって冷却空気が噴出
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１，図
２及び図３により説明する。図３はガスタービンの部分
断面図である。ガスタービンは、主としてタービン３２
と、このタービン３２に連結され、燃焼用および冷却用
の圧縮空気を得る圧縮機３０と、高温高圧燃焼ガスを発
生する燃焼器３１により形成されている。

【００１１】圧縮機３０より吐出された圧縮空気は燃焼
器３１に導かれ、燃焼器の燃焼室３３で燃料とともに燃
焼し、この燃焼した高温高圧のガスはタービン３２に導
かれる。タービン３２に導かれた燃焼ガスは、静翼を経
て動翼に噴射されタービンのロータ２２を回転させる。
そして、このロータ２２の回転軸２４で結合されている
図示しない発電機により発電するように構成されてい
る。

【００１２】図２には、ガスタービンのタービン部が断
面で示されている。図２は、図１で示したガスタービン
のタービン部を示したもので、本発明を初段動翼と第２
段静翼の間での洩れ込みとして説明するため、初段と第
２段の段落を示してある。回転体であるロータ２２は、
初段動翼体１１ａ，第２段動翼体１１ｂをそれぞれ植設
している初段ディスクホイール１５ａ，第２段ディスク
ホイール１５ｂ、それにディスクホイール間には、スペ
ーサ２０を備えており、そしてこれらはスタッキングボ
ルト２１によって締結されている。

【００１３】各ディスクホイール１５ａ，１５ｂの外周
には、初段動翼１２ａ，第２段動翼１２ｂと初段動翼シ
ャンク１３ａ，第２段動翼シャンク１３ｂおよび初段動
翼ダブテール１４ａ，第２段動翼ダブテール１４ｂから
成る初段動翼体１１ａ，第２段動翼体１１ｂが初段動翼
ダブテール１４ａおよび第２段動翼ダブテール１４ｂを
介して植設されており、そしてシャンク１３ａには、シ
ールフィン１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ、また初段
動翼シャンク１３ｂはシールフィン１６ｂ，１８ｂを備
えている。

【００１４】一方、静止側である第２段静翼体１ｂは、
初段静翼２ａ，第２段静翼２ｂ，外径側エンドウォール
３ｂおよび内径側エンドウォール４ｂで構成され環状に
配置されている。静翼体１ｂの内径側にはダイアフラム
５が装着され、ダイアフラム５はフィン６ａ，６ｂをシ
ールフィン１７ａ，１６ｂに対向させて備えている。
尚、内径側エンドウォール４ｂの内半径側，スペーサ２
０の外半径側及びシャンク１３ａ，１３ｂとダブテール
１４ａ，１４ｂの間で、静止体と回転体による間隙であ
るホイールスペース２３が形成されている。

【００１５】図１には、図２で示した初段動翼体１１
ａ，第２段静翼体１ｂおよびスペーサ２０の一部分とダ
イアフラム５が拡大されて詳細に示されている。シール
フィン１６ａは、内径側エンドウォール４ｂとの間で協
働するシール装置を形成している。内径側エンドウォー
ル４ｂは、静翼２ｂの内部冷却流路７に連通した、空気
通路８を周方向に備えており、その噴出口９はシールフ
ィン１６ａの先端部に対して主流側に且つスリット状に
位置して開口している。また、ダイアフラム５は、内部
冷却流路７に連通したシール空気孔１０を備えている。

【００１６】このように構成された本実施例で、ガスタ
ービンの運転とともに、圧縮機３０と燃焼器３１で発生
する高温高圧の作動ガスは、タービン３２部の初段の静
翼２ａ，動翼１２ａ，第２段の静翼２ｂ，動翼１２ｂを
通過する際にホイールスペース内へ流入しようとする。
この際、作動ガスは、圧力が約２０ata 、平均温度とし
て１４００から１５００℃程度で初段静翼２ａに導かれ
るが、この温度はタービン翼の信頼性を確保するための
材料の許容温度の限界を越えており、翼を冷却する必要
がある。そこで、圧縮機で得られる高圧の空気の一部を
抽気して、冷却空気として用いる。ここでは、本発明を
簡単にするため、第２段静翼体１ｂ周りのホイールスペ
ース２３に注目して説明する。前述したように、主流ガ
スは、圧力差によって段間隙２５を通り、破線で示した
矢印４０に沿ってホイールスペース２３内に洩れ込もう
とする。一方、第２段静翼２ｂの内部冷却流路７を通過
する際に翼内面を冷却した冷却空気は、一部を内径側エ
ンドウォール４ｂに設けられた空気通路８を通過して、
スリット状の噴出口９から周方向に連続して第２段動翼
体１１ｂのシールフィン１６ａに向かって実線で示した
矢印４１の方向へ噴出される。噴出される冷却空気は、
内径側エンドウォール４ｂとシールフィン１６ａの先端
で協働するシール装置、即ち最小間隙部近傍の主流側に
位置して噴出される。この時、段間隙２５を通過して主
流側に排出されることになるが、洩れ込んでくる主流ガ
スを希釈して、シール装置近傍の温度低下をもたらす。

【００１７】更に、冷却空気の一部は、ダイアフラム５
に設けられたシール空気孔１０を経由して、ホイールス
ペース２３を実線で示した矢印４２のように主流側に向
かって流れることになり、全体的にホイールスペース２
３内の温度を冷却空気レベルに保持することができる。

【００１８】以上に説明した静翼体の内径側エンドウォ
ールの周方向に冷却空気の噴出し口を設けて動翼体に噴
出するガスタービンで、噴出口からの冷却空気は対向す
る動翼体との間で周方向にエアーカーテンを形成して、
主流ガスの洩れ込みを阻止するので、ホイールスペース
温度の上昇を防止でき、低級材料によるホイールを製作
することができる。更に、噴出口は動翼体に設けたシー
ルフィンの先端よりも主流側に位置しており、最小間隙
部近傍にエアーカーテンを形成するため、シール効果が
増大するとともに、冷却空気はシールフィンの主流側に
噴出すため、逆にこのシールフィンに遮られてホイール
スペース側へ流れることができず、主流ガスと混合しな
がら主流中へ排出されるので、より高いシール性能を発
揮できる。また、冷却空気の一部を、ホイールスペース
内にシール空気として供給するので、一層の主流ガスの
洩れ込みを防止できるとともに、最少のシール空気流量
の消費での高い発電効率を得ることができる。

【００１９】尚、本実施例では、動翼体にシールフィン
を有するガスタービンに本発明を適用して説明したが、
静翼体の内径側エンドウォールから動翼体のシャンク上
部に直接向けて噴出しても構わないのは勿論であり、動
翼体に設けたシールフィンが不要となるので動翼体形状
の単純化によるコスト低減，タービン組立て時の簡易
性、また運転時におけるシールフィンの接触損傷に関る
信頼性の高いガスタービンを得ることが期待できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明では、最少のシール空気流量でデ
ィスクホイールの温度を管理できるので、最大の発電効
率を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービンの構成を示す部分断面
図。

【図２】ガスタービンのタービン部を示す断面図。

【図３】ガスタービンの全体を示す部分断面図。

【符号の説明】

４ｂ…内径側エンドウォール、５…ダイアフラム、７…
内部冷却流路、８…空気通路、９…噴出口、１３ａ…初
段動翼シャンク、１３ｂ…第２段動翼シャンク、１６ａ
…シールフィン、２０…スペーサ、２３…ホイールスペ
ース。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸をもち、前記回転軸に対し回転する
   複数のディスクホイールと前記ディスクホイール間にス
   ペーサを有し、前記ディスクホイールの外周に装着され
   た動翼，シャンク及びダブテールで構成される動翼体
   と、内部に冷却通路を備えた静翼及びエンドウォールで
   形成される静翼セグメントと、前記静翼セグメントの内
   側半径位置及び前記スペーサの外側半径位置に前記静翼
   セグメントに支持される環状のダイアフラムを備え、前
   記ディスクホイール，前記スペーサ及び前記ダイアフラ
   ムで形成される回転体と静止体間隙であるホイールスペ
   ースを有するガスタービンにおいて、前記静翼セグメン
   トの内径側エンドウォールから動翼に向かって冷却空気
   を噴出する噴出口を内径側エンドウォールの周方向上に
   設けたことを特徴とするガスタービン。
2. 【請求項２】請求項１において、前記動翼体はシャンク
   部に前記エンドウォール面と協働するシールフィンを備
   え、前記シールフィン先端に対して主流側近傍位置に前
   記噴出口を設けたガスタービン。
3. 【請求項３】請求項２において、前記ダイアフラムは前
   記ホイールスペース内にシール空気を供給する空気供給
   孔を具備したガスタービン。
4. 【請求項４】請求項１において、前記噴出口を周方向に
   対してスリット状に開口したガスタービン。